隧道管棚预支护开挖数值模拟分析

张小娜，王国立

（1.黄河科技学院，河南 郑州 450006；2.建业住宅集团（中国）有限公司，河南 郑州 450000）

隧道管棚预支护开挖数值模拟分析

张小娜1，王国立2

（1.黄河科技学院，河南 郑州 450006；2.建业住宅集团（中国）有限公司，河南 郑州 450000）

采用ANSYS有限元分析软件对采用管棚预支护全断面和台阶法两类不同开挖法不同进尺开挖4种不同工况进行数值模拟分析，研究其位移和应力情况，并进行经验总结，以便得到能直接应用于供工程实践应用与理论参考的研究成果。

隧道；管棚预支护；全断面法；台阶法；有限元分析；数值模拟分析

近年来随着交通事业的快速发展，交通隧道的建设呈现蓬勃发展的势头，隧道在交通、水利、市政与矿山开采和国防工程等方面都得到了充分的应用。为保证隧道施工安全顺利地进行，在洞口软弱破碎地层及城市浅埋暗挖段等复杂地质条件下施工时往往需要进行预支护，而管棚预支护技术是其中使用最为广泛的一类预支护技术。

1 管棚预预支护开挖作用机理

管棚超前支护采用超前支护的顶板，按照一定的间距在距巷道轮廓线一定距离的位置打设超前管棚孔，之后沿孔口送入无缝钢管，从而有效地控制顶板下沉，通过提前对顶板进行支护，对围岩爆破松动圈内的软弱破碎岩石形成超前临时支护（图1）。

全断面开挖法是在整个隧道开挖断面上采用一次钻孔、一次爆破成型及一次初期支护到位的一次成型的隧道开挖方法。这种开挖法要求具有较高水平的开挖、除渣和相应的支护能力示，如图2所示。

台阶法是隧道及地下工程的施工方法之一。在稳定性较差的岩层中施工时，将整个坑断面分为几层，由上向下分步进行开挖。上部台阶的掘进作业与下部台阶的除渣可同时平行进行，而使工效提高，如图3所示。

本文以某高速公路隧道进口进行研究，对采用管棚支护全断面及台阶法两种开挖法不同开挖进尺4种工况采用ANSYS有限元软件进行模拟，分析其位移和应力情况。

图1 管棚超前支护设计示意图

图2 全断面开挖法示意图

图3 台阶开挖法示意图

2 工程概况及模型建立

2.1 工程概况

某高速公路隧道，隧道围岩级别为V类，隧道洞口段覆盖层厚度10m，隧道断面采用单心圆曲墙式，隧道半径5.6m。隧道建筑限界净高、净宽分别为5m、10.5m。因该段总长度为24.6m，故采用长度为30m的超前管棚+注浆。

2.2 模型建立

为保证计算的准确性，依据本工程隧道进口开挖尺寸，建立能反映管棚实际工作状况的模型，该模型为长方体，长宽高为95m×15m×61.6m。岩体采用非线性考虑，围岩采用Drucker—Prage屈服准则，岩体和管棚加固区模拟时采用8节点6面体SOLID45，壳单元SHELL63被用来模拟钢支撑喷混凝土支护区。模型整体网格剖分如图4、图5、图6所示。

图4 管棚超前支护有限元网格剖分图

图5 管棚注浆加固区有限元网格剖分图

图6 管棚支护开挖完成后有限元网格剖分图

2.3 计算参数选取及工况模拟

参照公路隧道设计规范，根据该处地质资料，选用各材料参数性能见表1。边界条件采用位移边界条件，以X方向位移结果评价隧道侧墙的稳定性，以Y方向位移结果评价隧道开挖后拱顶的稳定性和地表沉降。

表1 材料参数表

采用管棚预支护2种不同进尺4种工况进行模拟，具体工况如表2所示。

表2 有限元分析计算工况

3 数值模拟计算结果分析

在对管棚注浆支护效果数值模拟分析过程中，分别计算按全断面、台阶法开挖进尺0.5m、1.0m，分别开挖1m、2m工况，分别计算出各种开挖方法引起的围岩扰动后应力场和位移场，然后对管棚注浆预支护所采用两种开挖方法的结果进行对比分析。

3.1 数值模拟分析

3.1.1 采用管棚预支护全断面开挖数值模拟

采用管棚支护全断面法施工，开挖进尺为0.5m、1.0m开挖，计算结果如表3所示：X向与Y向最大位移均发生在按1m进尺开挖时，分别为拱脚处2.48mm和拱顶21mm，也说明拱顶稳定性较差；围岩整个区域基本受压应力，只在拱脚和底板存在局部拉应力，且数值较小，且随开挖和支护工程的进行，应力数值不断减小，说明围岩逐渐趋于稳定，但由于在拱脚和底板处产生应力局部集中现象，应在该两部位加强支护。

表3 各工况有限元计算结果

3.1.2 采用管棚预支护台阶法开挖数值模拟

采用管棚支护台阶法施工，开挖进尺0.5m、1.0m开挖，计算结果如表4所示：按台阶法开挖比按全断面法在Y向的位移小，这也从数值上说明采用管棚台阶开挖法能更有效的控制地表下沉；围岩应力变化规律对称分布，且第一主应力、第三主应力均小于全断面法开挖时所对应应力值，且同样以压应力为主，符合管棚支护受力特征。

表4 各工况有限元计算结果

3.2 分析结果对比

通过分析比较，发现台阶法开挖所对应的X、Y 方向的位移均比全断面开挖法所对应的位移量小，说明采用管棚预支护台阶法对管棚的扰动更小。

按全断面法进行围岩开挖应力集中在拱脚，按台阶法开挖后应力集中在上台阶拱脚处，数值小于全断面开挖时，因此台阶法比全断面法提高围岩的稳定性更好，但台阶法开挖需工序较多，作业时间较长，但从安全性来考虑，采用管棚台阶法更合理。

4 结 论

本文利用ANSYS计算机软件对隧道进口采用管棚预支护全断面法和台阶法两种开挖方法进行数值模拟，主要结论如下。

1）依托隧道进口段为研究背景，采用计算机数值模拟软件进行分析，使复杂的工程实际问题简单化，更生动形象。

2）管棚注浆预支护技术能有效控制软弱破碎围岩或土体的地表下沉，并提高围岩的整体稳定性，尤其采用台阶法开挖更合理。

3）本文只比较了管棚注浆预支护全断面与台阶法，需进行更多分析以选择更合适的开挖支护法，从而促进交通事业蓬勃发展。

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（编辑 张海霞）

Numerical simulation analysis of excavation method for tunnel roof advance support

ZHANG Xiao-na, WANG Guo-li

河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A560730);黄河科技学院科研项目（KYZR201303）

U455.43

B

1001-1366(2015)01-0051-03

2014-10-11